新型对称全解耦的双质量硅微陀螺仪结构设计与优化

发布时间：2017-11-09 11:01

  本文关键词：新型对称全解耦的双质量硅微陀螺仪结构设计与优化

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【摘要】：得益于微机电系统(MEMS)技术的巨大成功,硅微陀螺仪在消费类电子产品、汽车工业、航空／国防等领域中取得了广泛应用。硅微陀螺仪的主要优点在于微型化、低成本、适于大批量生产,并且在稳定性和高性能上展现出美好前景。由于研究的不断深入,硅微陀螺仪的性能在过去几十年中获得极大的提升。然而,由于容易受到加工工艺变化和外界环境波动的影响,硅微陀螺仪仍然不能满足诸如导航之类的高性能应用场合。本文以提高硅微陀螺仪的性能为目的,在深入研究硅微陀螺仪的工作机理和设计原则的基础上,选择双质量和全解耦的结构形式,设计一种全新的硅微陀螺仪,并进行结构仿真和结构优化,同时分析加工工艺和环境干扰对硅微陀螺仪性能影响。本文主要研究以下几方面的内容：(1)硅微陀螺仪的工作机理和振动特性研究首先对硅微陀螺仪的工作原理进行了深入研究,分析了硅微陀螺仪的基本结构和哥氏效应,并建立了硅微陀螺仪的动力学模型,分析了传统单质量陀螺仪质量-弹簧-阻尼的二阶系统的振动特性、驱动模态和检测模态的振动特性,在此基础上,进一步分析了双质量硅微陀螺仪的振动模态和振型。此外,本文还分析了硅微陀螺仪的静电驱动和电容检测机理,以及硅微陀螺仪的阻尼特性。(2)对称全解耦的双质量硅微陀螺仪结构方案设计和仿真优化在分析比较硅微陀螺仪主要结构类型的基础上,选择合适的结构形式完成对称全解耦的双质量硅微陀螺仪的整体设计,主要包括支承机构设计、驱动与检测机构设计、全解耦设计、对称双质量设计等,最终分析了所设计的硅微陀螺仪整体结构的特点。之后利用有限元仿真软件分别进行了模态仿真、轴向加速度敏感性仿真、热应力仿真、谐响应仿真和瞬态冲击仿真,验证了设计方案的合理性,并不断优化硅微陀螺仪的机构形式和具体尺寸,使得陀螺仪的性能达到最佳状态。(3)硅微陀螺仪的误差分析分析了所设计的硅微陀螺仪的主要误差来源和表现形式,并阐释了这些误差对硅微陀螺仪性能的影响,针对各误差,给出结构设计中的注意细则和优化方案。首先进行了结构误差分析,主要包括加工误差导致的刚度耦合误差、阻尼耦合误差、梁宽误差和倾角误差加工误差导致的固有频率变化、左右质量和刚度不等对振动幅度的影响；然后分析了硅微陀螺仪驱动模态和检测模态的机电接口模型,并研究了杂散电容对输出的影响。最后讨论了温度变化对硅微陀螺仪性能的影响,主要包括固有频率、品质因数、稳定时间、驱动幅度、机械灵敏度、电容变化灵敏度等参数受温度变化的影响。(4)硅微陀螺仪的制作和实验介绍了硅微陀螺仪的DDSOG加工工艺,并给出硅微陀螺仪的封装步骤。然后对加工出来的对称全解耦的双质量硅微陀螺仪进行了性能测试,主要包括驱动模态和检测模态的振动特性测试、标度因数测试、零偏测试和温度特性测试。从初步测试结果来看,本文所设计的新型对称全解耦的双质量硅微陀螺仪在性能上达到了较高水平。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN96

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本文编号：1161558